Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время разработаны различные алгоритмы для адаптивного управления процессом шлифования. Однако отсутствует информационная база, на основе которой возможно автоматизированное управление данным процессом. На практике технолог для назначения режимов резания использует нормативно-технические документы, составленные на основе заводского опыта и расчётных зависимостей, в основном полученных на базе пассивного эксперимента, не позволяющего оценить значимость и адекватность моделей. Элементы режима резания выбирают последовательно из таблиц, составленных без учёта взаимного влияния технологических факторов и реальной податливости шлифуемых деталей. В связи с этим при внедрении в производство они требуют дополнительной корректировки.
На эксплуатационные свойства машин существенное влияние оказывают микро- и макрогеометрия поверхности деталей. Однако по параметрам макрогеометрии отсутствуют не только опытно-статистические данные, но и какие либо расчётные зависимости. В связи с изложенным точность формы практически не регламентируется и принимается гипотеза, что она всегда входит в допуск на размер обрабатываемой заготовки.
Для процесса шлифования характерна крайне высокая нестабильность, которая обусловлена неориентированным расположением зёрен в черепке круга, большим рассеянием их углов резания и разновысотностью в радиальном направлении. В таких условиях для повышения точности принимаемых решений целесообразно использовать статистические методы и теорию планирования эксперимента, которые совместно с программными продуктами ускоряют и повышают качество управления процессом шлифования как на стадии технологической подготовки производства, так и при его отладке на рабочем месте.
В настоящее время предложена новая концепция, известная под названием «метод робастного проектирования». Она исключает значительную часть интуитивных решений и трудоёмких натурных испытаний. Эта концепция включает три этапа: системное проектирование (контроль качества на стадии проектирования технологического процесса(ТП)); параметрическое проектирование (контроль качества на стадии производства) и проектирование качества. При робастном проектировании акцент обеспечения качества деталей переносится со второго этапа на первый, что снижает трудоёмкость изготовления изделий и повышает их конкурентоспособность в условиях рыночной экономики. Однако их контроль на стадии проектирования развит не так полно, как при изготовлении, и требует дополнительных исследований. Системное проектирование следует вести на основе активного эксперимента с варьированием технологических переменных не менее, чем на трёх уровнях, а для интерпретации наблюдений использовать многомерный дисперсионный анализ с факторами, которые не являются случайными величинами. Многоуровневая матрица плана эксперимента повышает робастность проектирования ТП, обеспечивающего из-
готовление деталей требуемого качества с минимальными затратами. Данное исследование посвящено проработке первого этапа робастного проектирования.
Цель работы: создание информационной базы для многокритериального управления процессом плоского шлифования периферией круга на основе последовательного симплекс-планирования с автоматизацией итераций.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
Для прогнозирования состояния качества поверхности и точности формы в формате З.Опровести поиск моделей многомерного дисперсионного анализа, включающих значимые основные эффекты, эффекты взаимодействий различного порядка и поправочные коэффициенты, учитывающие разнообразные условия обработки.
Создать расширенную базу данных, позволяющую сократить сроки технологической подготовки производства, повысить её качество и обеспечить автоматизированное управление процессом шлифования на станках с ЧПУ.
Уточнить роль операционных припусков в формировании микро- и макрогеометрии поверхности при многопроходном шлифовании абсолютно жёстких и податливых деталей.
С использованием статистических методов получить углублённое представление о влиянии технологических факторов на микрорельеф и погрешности формы обрабатываемых деталей.
-На базе уточнённых моделей провести многокритериальную оптимизацию процесса шлифования с учётом конструктивных и технологических признаков, позволяющую управлять параметрами обработки операционной партии деталей в целом.
-Повысить надёжность технологической подготовки, в том числе путём правильного поиска центра эксперимента и минимизации стандарта ошибки.
Методы исследований. Работа выполнена на базе научных основ технологии машиностроения, теории шлифования металлов и робастного проектирования.
Научная новизна работы:
-
Получены математические модели параметров микро- и макрогеометрии, которые наряду с традиционными элементами режимов резания отражают многопроходность процесса абразивной обработки и податливость шлифуемых деталей.
-
Решена задача многокритериального технологического управления процессом плоского шлифования с минимизацией ошибки на базе симплекс-планирования с привлечением программных продуктов, которая позволяет гибко моделировать процесс шлифования в широком диапазоне с учётом изменяемых требований к целевым функциям.
-
Дана комплексная оценка эффективности шлифования деталей из коррозионно-стойких сталей кругами из кубического нитрида бора, электрокорунда нормальной и высокой пористости с применением параметрических и непараметрических методов статистики.
-
Решена задача повышения точности прогнозирования микро- и макрогеометрии детали путём введения в параметрические модели поправочных коэффициентов, учитывающих отклонение распределений наблюдений от нормальности и гетероскедастичности в связи с случайным характером рассеяния формы и режущих элементов зёрен, их разновысотности и толщин среза.
-
Определена степень влияния технологических параметров и условий шлифования на качество шлифуемых деталей на уровне значимости а=0,05.
-
Показана возможность прогнозирования отклонений поверхности в формате 3D от установочной базы деталей, что позволяет повысить точность сборки соединений и машин путём совмещения прямой по ГОСТ 24642-81 с настроечным размером на обработку.
Практическая ценность работы. Разработаны технологические рекомендации для авиастроения, судостроения и химической промышленности для маятникового шлифования, податливость технологической системы и повышающие качество шлифуемых деталей путём оптимизации технологических параметров. Реализована многокритериальная оптимизация процесса шлифования по параметрам микро- и макрогеометрии на основе статистических моделей с учётом служебного назначения детали, многопроходности съёма припуска и податливости технологической системы. Установлено, что наибольшую стабильность процесса шлифования обеспечивают круги из кубического нитрида бора высокой пористости, а наименьшую - инструменты из традиционных абразивов стандартной пористости.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модели многомерного дисперсионного анализа с фиксированными факторами, которые наряду с традиционными элементами режима резания (глубиной, продольной и поперечной подачами) учитывают особенности маятникового шлифования, связанные с последовательным съёмом операционного припуска, реальную податливость заготовок и направление её варьирования.
-
Решение задачи многокритериальной оптимизации процесса шлифования в системе, позволяющей гибко регулировать количество и значимость целевых функций с учётом различных конструктивных и технологических особенностей деталей на различных этапах шлифования в силу её открытости.
-
Техническое решение моделирования переменной жёсткости заготовок в широком диапазоне, снижающее трудоёмкость подготовки эксперимента.
-
Использование непараметрических методов статистики для уточнения моделей многомерного дисперсионного анализа, поскольку для этого нового направления в статистике до сих пор отсутствует теоретическая база, обеспечивающая реализацию активного эксперимента.
-
Результаты повышения эффективности плоского шлифования путём оптимизации технологических методов и приёмов: зернистости, твёрдости и пористости круга, концентрации зёрен кубического нитрида бора, схемы врезания круга в деталь (попутное или встречное), способа задания поперечной подачи (мм/дв. ход или мм/ход), выхаживающих проходов, которые явились основой для разработки технологических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Высокие технологии в машиностроении» (г.Самара, 2006); «Материалы и технологии XXI века» (г.Пенза, 2007, 2008); «Механики-XXI веку» (г.Братск, 2007); «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г.Брянск, 2009); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2007, 2008,2010).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы апробированы и используются на ЗАО «Энерпред», г. Иркутск, а также в учебном процессе для студентов машиностроительных специальностей Иркутского государственного технического университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации насчитывает 159 страниц, содержит 40 таблиц, 64 рисунка, библиографический список из 173 наименований и 6 приложений. Общий объём работы 190 страниц.
